电力电子与电机拖动课程设计-三相桥式可控整流电路的研究.doc

电力电子与电机拖动电力电子与电机拖动 课程设计课程设计 题题 目：目： 专专 业：业： 学学 号：号： 姓姓 名：名： 完成日期：完成日期： 指导教师：指导教师： 2 电力电子与电机拖动课程设计任务书电力电子与电机拖动课程设计任务书 姓名姓名 班级班级 指导老师指导老师 题目： 三相桥式可控整流电路的研究 课课 题题 的的 任任 务务 和和 要要 求求 输入电压：三相交流 380v，50HZ， 输出功率：2KW； 用集成电路组成触发电路 负载性质：电阻，电阻电感 对电路进行主设计、计算与说明。 计算所用元器件型号参数 1、根据课题，查阅相关资料 2、画出系统原理框图； 3、参数计算和元器件选择 4、画出单元电路图； 5、画出整体控电路图； 、撰写课程设计报告。 （说明书）设计题目，主要技术标和要求；方案选择及 至电路工作原理；单元电路设计计算；收获、体会和改进设计的建议；主要参考文献。 参参 考考 文文 献献 3 目目 录录 第 1 章 绪论 .3 1.1 电力电子技术概况.3 1.2 本文研究内容.3 第 2 章 三相桥式可控整流电路设计 .6 2.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案.6 2.2 具体电路设计.8 2.2.1 主电路设计.8 2.2.2 控制设计.10 2.2.3 保护电路设计.12 2.3 元器件型号选择.13 第 3 章 课程设计总结 .16 参考文献 .17 4 第 1 章 绪论 1.11.1 电力电子技术概况电力电子技术概况 电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变， 斩波，变频，变相等）两个分支。 它是建立在电子学、 电工原理和自动控 制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强 电的工业服务的，故常将它归属于 电工类。电力电子技术的内容主要包括 电力电子器件、 电力电子电路 和电力电子装置 及其系统。电力电子器件以 半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理 学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了 微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点 和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控 制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用 这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装 置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自 动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为 直流电能供给直流用电设备。它的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电 解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。 1.2本文研究内容本文研究内容 将 380V 三相交流电源通过三相桥式可控整流电路调整为输出功率为 2KW， 用集成电路组成触发电路 设计任务包括以下几点： 1、根据课题，查阅相关资料 2、画出系统原理框图； 3、参数计算和元器件选择 4、画出单元电路图； 5 5、画出整体控电路图； 、撰写课程设计报告。 （说明书）设计题目，主要技术标和要求； 方案选择及至电路工作原理；单元电路设计计算；收获、体会和改进设计 的建议；主要参考文献。 6 第第 2 2 章章 三相桥式可控整流电路设计三相桥式可控整流电路设计 2.12.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案三相桥式可控整流电路总体设计方案 2.1.1方案的选择 三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三 相全控桥式整流电路。因为三相整流裝置三相平衡的，输出的直流电压和电流 脉动小，对电网影响小，同时三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压 脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整 流电路。 由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直 流分量，为此在应用中较少，所以采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避 免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控 整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感 足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功 率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过 4KW 时，考虑到三相负载的 平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。 三相全控桥整流电路的输出电压脉动小、脉动频率高，和三相半波电路相 比，在电源电压相同、控制角一样时，输出电压又提高了一倍。又因为整流变 压器二次绕组电流没有直流分量，不存在铁心被直流磁化问题，故绕组和铁心 利用率高，所以被广泛应用在大功率直流电动机可调速系统，以及对整流的各 项指标要求较高的整流装置上。 7 380V 三相交 流电源 整流电路 触发电路 2.1.2 系统原理方框图 保护电路 负载电路 图 2.1 系统原理方框图 整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务， 在此设计中采用三相桥式可控整流电路接阻感性负载。 8 2.22.2 具体电路设计具体电路设计 2.2.1 主电路设计 三相桥式可控整流电路的原理 图 2.2 三相桥式可控整流电路 根据本次设计要求，采用负载为阻感的主电路图如下： 根据设计要求，输出电压 Ud 在 0220V 连续可调。 根据三相桥式全控整流电路计算公式：Ud=2.34U2cos 当 =30 时，使电压 Ud 有最大值 Ud=2.34U2cos30=220V，从而得出 U2=109V，可通过变压器获得。 当 =90 时，使电压 Ud 有最小值 Ud=2.34U2cos90=0V，从而实现输出电 压 Ud 在 0220V 连续可调。 整流输出电流最大值 100A，Idmax=Umax/R=100A，所以 R=220/100=2.2。 综上可得触发角 取值为 3090。 下图为三相桥式整流电路带阻感负载 =30 和 90 的波形图。 当 a60，Ud 波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管 的通断情况、输出整流电压 Ud 波形、晶闸管承受的电压波形等都一样区别在 于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 id 波形 不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足 9 够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。 图 2.3 三相桥式全控整流电路阻感负载 30 度的波形 当 a60 时阻感负载时的工作情况与电阻负载时，不同电阻负载时 Ud 波形 不会出现负的部分而阻感负载时，由于电感 L 的作用，Ud 波形会出现负载带阻 感负载时，三相全控桥式整流电路的角移相的范围是 90。 图 2.4 三相全控桥式整流电路带阻感负载 90 度时的波形 ud1 = 30 ud2 ud uabuacubcubaucaucbuabuac tO tO tO tO id ia t1 uaubuc = 90 ud1 ud2 uacubcubaucaucbuabuacuab ud uac uab uac tO tO tO ubucua t1 uVT 1 10 2.2.2 控制电路设计 控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发 电路，设计利用 KJ004 构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电 路。 根据设计要求及其分析，选择模拟集成触发电路 KJ004，KJ004 可控硅移相 触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触 发。 一KJ004 的工作原理 KJ004 器件输出两路相差 180 度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触 发器线路。KJ004 电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位 均衡性好、移相范围宽、 对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下 1112 16 1 15 1413943 5 7 8 R23 +15V+15V +15V RP1R24 R2 R20 RP4 R5 R1R3R4R6R7R8 R12 R10R11R14 R19 R13 R25 R26 R27 R28 R20R22 R16 R17 R21 R18 R15 V3 V2 V1 V18 V19 V20 V4V5V6 V12 V13 V14 V15 V16 V9 V10 V11 V8 V7 V17 VS5 VS1 VS2 VS3 VS4 VS6 VS7 VS8 VS9 VD1 VD2 VD3 VD4VD5 VD6 VD7 C1 C2 ubuco us 11 图 2.5KJ004 的电路原理图 如图 KJ004 的电路原理图所示，点划框内为 KJ004 的集成电路部分，它与 分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路类似。V1V4 等组成同步环节，同 步电压 uS 经限流电阻 R20 加到 V1、V2 基极。在 uS 的正半周，V1 导通，电 流途径为(+15VR3VD1V1地)；在 uS 负半周，V2、V3 导通，电流途径 为(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、负半周期间。 V4 基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|0.7V 时，V1V3 截止，V4 从 电源十 15V 经 R3、R4 取得基极电流才能导通。 电容 C1 接在 V5 的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。 在 V4 导通时，C1 经 V4、VD3 迅速放电。当 V4 截止时，电流经 (+15VR6C1R22RP1(15V)对 C1 充电，形成线性增长的锯齿波， 锯齿波的斜率取决于流过 R22、RP1 的充电电流和电容 C1 的大小。根据 V4 导 通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固 定的相位关系。 V6 及外接元件组成移相环节。锯齿波电压 uC5（即 4#端电压） 、偏移电压 Ub、移相控制电压 UC 分别经 R24、R23、R26 在 V6 基极上叠加。当 ube6+0.7V 时，V6 导通。设 uC5、Ub 为定值，改变 UC，则改变了 V6 导通的 时刻，从而调节脉冲的相位。 V7 等组成了脉冲形成环节。V7 经电阻 R25 获得基极电流而导通，电容 C2 由电源+15V 经电阻 R7、VD5、V7 基射结充电。当 V6 由截止转为导通时，C2 所充电压通过 V6 成为 V7 基极反向偏压，使 V7 截止。此后 C2 经 （+15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压 uc2+1.4V 时，V7 又恢复导通。这样，在 V7 集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电 时间常数 R25C2 决定。 V8、V12 为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7 集电极输出两个 相位差为 180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在 us 正半 周 V1 导通，V8 截止，V12 导通，V12 把来自 V7 的正脉冲箝位在零电位。同 12 时，V7 正脉冲又通过二极管 VD7，经 V9V11 放大后输出脉冲。在同步电压 负半周，情况刚好相反，V8 导通，V12 截止，V7 正脉冲经 V13V15 放大后 输出负相脉冲。说明： 1) KJ004 中稳压管 VS6VS9 可提高 V8、V9、V12、V13 的门限电压，从 而提高了电路的抗干扰能力。二极管 VD1、VD2、VD6VD8 为隔离二极管。 2) 采用 KJ004 元件组装的六脉冲触发电路，二极管 VD1VD12 组成六个 或门形成六路脉冲，并由三极管 V1V6 进行脉冲功率放大。 3) 由于 V8、V12 的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上 相差 180的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，只需要三 个与主电路同相的同步电压就行了。因此主变压器接成 D，yn11 及同步变压器 也接成 D，yn11 情况下，集成触发电路的同步电压 uSa、uSb、uSc 分别与同步 变压器的 uSA、uSB、uSC 相接 RP1RP3 为锯齿波斜率电位器，RP4RP6 为同步相位。 2.2.32.2.3 保护电路设计 相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和 过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全 根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须 充分发挥器件应有的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠 性必不可少的重要环节。 电力电子器件的保护主要指过电压保护和过电流保护。 一.过电压保护 所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所 能承受的最大峰值电压Um都称为过电压，其电路图如下： 13 图 2.6 过电压保护图 产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁 感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器， 以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过 电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上。 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外 因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，内因过电压主要来自 电力电子装置内部器件的开关过程，包括换相过电压和关断过电压。 二.过电流保护 晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流 分过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传 导途 径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路 电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电 流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直 流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流 保护。 采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措 施。在选择快熔时应考虑： （1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 （2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔 一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或 直流母线中。 （3）快熔的值应小于被保护器件的允许值。tI 2 tI 2 （4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。 若晶闸管的额定电流取68A,因为快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管 额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为102A。 14 2.32.3 元器件型号选择元器件型号选择 由于三相桥式可控整流电路带阻感性负载主电路主要元件是晶闸管和变 压器，所以选取元件时主要考虑晶闸管和变压器的参数及其选取原则。 一晶闸管的主要参数如下： 额定电压 UN 在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的 23 倍，以保证电路的 工作安全。 根据三相桥式可控整流工作原理，晶闸管所承受的最大反向电压Umax为 U2=265.9V，从而得出 UN。6 晶闸管的额定电压 UN =（23）Umax =（23）*265.9=531.8797.7V 额定电流 IN IVT=Id/，Id=100A，IVT=57.7A3 IN =（1.52）IVT/1.57=55.173.5A IVT（AV）=IVT/1.57=36.8A 通过以上计算分析，在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为 KP50A 二变压器的变比及其容量 1变压器的变比： 若将变压器看作是理想变压器，不计变压器的励磁电流，根据变压器的磁 动势平衡原理，得 I1N1=I2N2 由此得出变压器的变比 K= N1/N2 =U1/U2 =220/109=2.018 2变压器的容量 S： S= U1 * I1 = U2 *I2 = U2 *Id=109 * 100* = 1.88*104 W33 考虑到安全性以及损耗问题，变压器应选变比为 2.018,容量为 2*104 W 3平波电抗器的确定 如图 2.7 所示，id 波形在一个周期内有部分时间为零的情况，称为电流断 15 续。与此对应，若 id 波形不出现为 0 的情况，称为电流连续。当 a 时，触 发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要 求触发电路有足够的宽度，保证当 wt= 时刻晶闸管开始承受正电压时，触发 脉冲依然存在。这样，相当于触发角被推迟为 ，即 a=. 负载为直流电动机时，如果出现电流断流则电动机的机械特性将很软。从 图 2.7 看出，导通角 越小，则电流波形的低部就越窄。电流平均值是与电流 波形的面积成正比的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求 较多地降低反电势。因此，当电流断续时，随着 Id 的增大，转速降落较大，机 械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容 易产生火花，其电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。 图 2.7 为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用 来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当 u2 小于 E 甚至 u2 值变负时，晶闸管仍然导通。只要电感量足够大就能使电流连续，晶闸管每次 导通 180 度，这时整流电压 ud 的波形和电感负载电流连续时的波形相同，ud 的计算公式也一样。 针对电动机在低速轻载时电流连续的情况，给出 ud 和 id 的波形，如图 2.8 16 图 2.8 为保证电流连续所需要的电感值 L 可由下式求出： Idmin为最小负载电流，一般取电动机额定电流的 510，若取 5， 则 Idmin = 20K/220*5=4.55A 平波电抗器 L=2.87*U2 /Idmin=2.87 * 109/4.55=69H 17 第三章第